-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur duktilen Schleifbearbeitung sprödharter
Werkstoffe sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens, umfassend ein Schleifwerkzeug zur duktilen Schleifbearbeitung
und Mittel zur Beaufschlagung des Schleifwerkzeugs mit einem Körperschall
von mindestens 2 kHz.
-
In
vielerlei Anwendungsgebieten werden sprödharte Werkstoffe,
wie z. B. Hartmetall, Keramik, Glaskeramik oder Glas mit höchsten
Oberflächenqualitäten benötigt. Dies
gilt insbesondere für Glasoptiken, z. B. für Kameraobjektive,
Mikroskope, Ferngläser, Laseranwendungen, Medizinprodukte
oder Unterhaltungselektronik.
-
Für
die Herstellung von optischen Elementen wurde zur Erzeugung höchster
Oberflächenqualitäten in der Industrie bislang
in der Regel eine klassische Prozesskette bestehend aus Vorschleifen,
Feinschleifen und Polieren genutzt. Diese Prozesskette ist sehr
zeit- und kostenintensiv, wobei zwischen 60% und 90% der Gesamtzeit
und Gesamtkosten auf den letzten Prozessschritt des Polierens entfallen.
Mit dem Polieren können Oberflächenrauhigkeiten
im einstelligen Nanometerbereich erzeugt und Randzonenschädigungen
der vorhergehenden Prozessschritte beseitigt werden.
-
Aus
der
DE 100 60 696
A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum ultraschallunterstützten Schleifen
einer Werkstückkante bekannt. Hiermit soll eine wirtschaftliche
Bearbeitung einer Kante eines Werkstückes aus einem sprödharten
Werkstoff ermöglicht werden. Als Schleifwerkzeug kann dabei eine
Schleifscheibe, ein Schleifstift oder eine Topfschleifscheibe eingesetzt
werden. Dabei wird die Stirnfläche des Schleifwerkzeugs
während des Schleifens zu ultraschallfrequenten Längsschwingungen
angeregt.
-
Ein
ultraschallunterstütztes Schleifen zur Schleifbearbeitung
von sprödharten Hochleistungswerkstoffen wurde auch bereits
durch das Institut für Produktionstechnologie der Fraunhofer-Gesellschaft offenbart.
-
Die Überlagerung
der konventionellen Schleifkinematik mit einer zusätzlichen,
hochfrequent oszillierenden Wirkbewegung bewirkt eine Reduzierung
der Bearbeitungskräfte, wodurch höhere Vorschubgeschwindigkeiten
und damit größere Zeitspanvolumina ermöglicht
werden. Zudem können im mikro- und makroskopischen Bereich
bessere Oberflächenguten erreicht werden. Nachteilig ist,
dass bei Einsatz des Körperschalls ein duktiles Schleifverfahren
sprödharter Werkstoffe nicht möglich ist.
-
Ein
duktiles Hochgeschwindigkeitsschleifverfahren für Glaswerkstoffe
ist aus der
EP 1 173
306 B1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein flexibles Schleifwerkzeug
mit der Oberfläche eines Glaswerkstückes in Kontakt
gebracht, wobei die das Schleifkorn aufweisende Bindematrix an einem
flexiblen Träger angebracht ist. Werkstück und
Werkzeug werden an der Oberfläche des Glaswerkstückes
relativ zueinander mit einer Geschwindigkeit von mindestens etwa
16,5 m/s bewegt, wodurch eine Endoberflächenrauhigkeit
von Ra < 0,03 μm
erreichbar sein soll.
-
Es
ist des Weiteren bekannt (V. R. Sinhoff, Feinbearbeitung
optischer Gläser in der Kleinserie, Dissertation RWTH Aachen,
1996 ISBN 3-8265-2330-X; E. N. Koch, Technologie zum Schleifen asphärischer
optischer Linsen, Dissertation RWTH Aachen, 1992), bei
einem duktilen Schleifverfahren den Betrag der auf die Werkstückoberfläche ausgeübten
Schleifkraft derart zu steuern, dass solche Brüche nicht
auftreten, die normalerweise während des Grobschleifens
zu sehen sind. Die Schleifscheiben bestehen dabei aus einem sehr
feinen Schleifkorn von etwa 3 μm Korndurchmesser. Durch die
duktile Schleifbearbeitung können Oberflächenrauheiten
von Ra < 8 nm im
Vergleich zu sprödbrüchig geschliffenen Oberflächenrauheiten
von Ra < 500 nm
erreicht werden. Durch das beim duktilen Schleifbearbeiten eingesetzte
feinkörnige Schleifwerkzeug wird eine kritische Einzelkornspanungsdicke
unterschritten, so dass eine rein duktile Spanabnahme ohne Sprödbruch
möglich ist.
-
Die
Umsetzung des duktilen Schleifverfahrens steht allerdings bisher
in der industriellen Produktion aus, da dieses Verfahren eine exakte
Einstellung von Prozessparametern verlangt. Bei nur geringen Abweichungen
kommt es bereits zu einer Schädigung des Schleifwerkzeugs,
die zeit- und kostenintensive Instandsetzungen notwendig machen.
Dies bringt den gesamten Schleifprozess zum Erliegen und führt
somit zur Unwirtschaftlichkeit. Regelmäßig führt
das duktile Schleifen sprödbrüchigen Materials zum
Abstumpfen und Zusetzen des Schleifwerkzeugs, bis kein Materialabtrag
mehr möglich ist, wodurch es zu thermischer und mechanischer Überlastung
sowohl des Schleifwerkzeugs als auch des Werkstücks kommt.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung zur duktilen Schleifbearbeitung sprödharten
Materials zur Verfügung zu stellen, die auch ohne abschließenden
Polierprozess mit einer gegenüber dem Stand der Technik
Zeit und Kosten sparenden Schleifbearbeitung höchste Oberflächenqualitäten erlauben.
-
Die
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst,
bei dem ein mittels eines Schleifwerkzeuges durchgeführtes
duktiles Schleifen durch mindestens eine körperschallunterstützte
Schleifphase unterbrochen wird, in der das Schleifwerkzeug zu seiner
zwischenzeitlichen Schärfung und/oder Reinigung mit Körperschall
von mindestens 2 kHz beaufschlagt wird, wobei der Schleifvorgang
stets mit einer duktilen Schleifphase endet.
-
Die
Körperschallbeaufschlagung des Schleifwerkzeugs hat folgende
Effekte: Zum einen brechen stumpfe Körner des Schleifwerkzeugs,
z. B. Diamanten, schneller und einfacher aus. Somit werden der schleifenden
Werkzeugoberfläche neue, schneidfreudige Körner
für den Zerspanungsprozess zur Verfügung gestellt.
Zudem tritt als Hauptverschleißmechanismus der Körner
des Schleifwerkzeugs eine Mikrosplitterung anstelle der ungewünschten
Abrasion auf, so dass die Konturen der Körner durchgehend
scharf und schneidfreudig bleiben. Des Weiteren führt der
Körperschalleinsatz zu einer Reinigung des Schleifbelags,
was mit der Wirkungsweise eines Ultraschallreinigungsbads verglichen
werden kann. Somit können die sehr kleinen Spanräume
des Schleifwerkzeugs von abgetragenen Werkstückpartikeln
freigehalten werden, was ebenfalls für ein schneidfreudiges
und scharfes Werkzeug sorgt.
-
Während
der Körperschallbeaufschlagung ist die Schleifbearbeitung
allerdings nicht mehr duktil, d. h. die eigentlich gewünschten
Oberflächenqualitäten können in dieser
Phase nicht erreicht werden. Deshalb wird die Körperschallbeaufschlagung
allein intermittierend, d. h. das duktile Schleifen kurzseitig unterbrechend,
eingesetzt.
-
Das
duktile Schleifen mit intermittierender Körperschallunterstützung
kann das Feinschleifen und/oder den Poliervorgang vollständig
ersetzen, wodurch ein erheblicher Zeit- und damit Kostengewinn verbunden
sein kann. Die erfindungsgemäße Prozesskette kann
aber auch aus Vorschleifen, eventuellem Feinschleifen, duktilem
mit intermittierender Körperschallunterstützung
versehenen Feinstschleifen und eventuell aus einem kurzen Polierprozess bestehen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt
werden, dass als Körperschall Ultraschall eingesetzt wird.
Der Ultraschall mit Frequenzen oberhalb 20 kHz hat den Vorteil,
dass hierdurch das menschliche Ohr, insbesondere in der Umgebung
der das Verfahren ausführenden Maschinen, weniger belastet
wird.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren ist besonders dann
vorteilhaft, wenn Glas geschliffen wird. Aufgrund der besseren optischen
Eigenschaften wird bei anspruchsvollen Optiken zumeist Glas anstelle von
Kunststoff eingesetzt. Optische Elemente werden für viele
Anwendungsbereiche, von der Kommunikationstechnik, über
die Lasertechnik, die Automobiltechnik und die Medizintechnik bis
hin zur Unterhaltungselektronik benötigt. Beispielhafte
Anwendungen sind optische Schaltmodule und Arrays zur Faserkopplung,
Strahlformoptiken für Systeme der Materialbearbeitung,
der Medizintechnik und der Displaytechnik sowie optische Sensoren,
Head-Up-Displays und IR-Nachsichtgeräte sowie Digitalkameras und
Beamer.
-
Das
Verfahren kann aber vorteilhaft auch bei allen anderen sprödharten
Werkstoffen, z. B. Keramik und Hartmetall durchgeführt
werden.
-
Das
erfindungsgemäß Verfahren kann auch so ausgeführt
werden, dass die Beaufschlagung mit Körperschall in Richtung
der Drehachse des rotierenden Schleifwerkzeugs erfolgt. Dies gilt
insbesondere für topfförmige Schleifwerkzeuge
oder andere Schleifwerkzeuge, deren Drehachse auf das Werkstück
hin gerichtet ist.
-
Alternativ
kann die Richtung des Körperschalls auch beliebige Winkel
zur Drehachse annehmen. Außerdem kann das Verfahren auch
bei solchen Schleifwerkzeugen angewendet werden, deren Drehachse
parallel zur Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes
verläuft. In diesem Fall bietet sich eine Schallrichtung
senkrecht zur Drehachse an. Weiter alternativ kann das Verfahren
auch bei nicht rotierenden Schleifwerkzeugen, z. B. bei sich reziprozierend
in der Schleifebene bewegenden Werkzeugen, insbesondere vibrierenden
Schleifwerkzeugen, durchgeführt werden. Der Körperschall
kann in beliebiger Orientierung, bevorzugt aber senkrecht oder parallel
zur Ebene der Schleifbewegung auf das Schleifwerkzeug aufgegeben
werden.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt
werden, dass die Beaufschlagung mit Körperschall in regelmäßigen
zeitlichen Abständen erfolgt. Dies bedeutet die prozesstechnische
einfachste Art und Weise, die Körperschallbeaufschlagung
wirksam einzubringen. Das Intervall der Körperschallbeaufschlagung
wird dabei durch Art und Geometrie des Werkstückes sowie
des Schleifwerkzeuges und/oder durch weitere Prozessparameter, wie
z. B. die Drehgeschwindigkeit des Schleifwerkzeuges oder die Frequenz
des eingesetzten Körperschalls oder auch durch die Art
des eingesetzten Kühlmittels, bestimmt. Bei sich wiederholenden
Schleifvorgängen und vorgegebenen Parametern oder bei bestimmten Materialien
können auf empirische Weise geeignete Zeitintervalle ermittelt
und für zukünftige Prozesse der Steuerung des
Verfahrens eingegeben werden.
-
Es
ist auch denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren
so durchzuführen, dass die zwischen dem Schleifwerkzeug
und dem Werkstück auftretende Prozesskraft überwacht
wird und bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes der Prozesskraft
die Körperschallbeaufschlagung erfolgt.
-
Die
Prozesskraft ist die zwischen dem Schleifwerkzeug und dem Werkstück
auftretende Kraft während der Schleifbearbeitung. Ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Erfassung der Prozesskraft sind z. B. aus der
DE 3244171 A1 bekannt.
Da während des duktilen Schleifens das Werkzeug kontinuierlich
abstumpft und sich mit abgetragenen Werkstückpartikeln
zusetzt, kommt es zu einem kontinuierlichen Anstieg der Prozesskraft.
Wird diese zu hoch, wird der Prozess instabil und es kann zu Werkzeug-,
Werkstück- oder Maschinenschäden kommen. Bei Überwachung
der Prozesskräfte kann bei Überschreiten eines
zuvor festgelegten Schwellenwertes die Körperschallbeaufschlagung
ausgelöst werden, wodurch es zu dem gewünschten
Schärfen und Reinigen des Schleifwerkzeuges kommt und im Anschluss
die Prozesskräfte wieder signifikant niedriger werden.
Gegenüber dem regelmäßigen Einsatz der
Körperschallbeaufschlagung kann mittels der Prozesskraftüberwachung
der Einsatz des Körperschalls optimiert werden.
-
Bei
einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird die vorgenannte
Aufgabe dadurch gelöst, dass die Mittel zur Beaufschlagung
des Schleifwerkzeugs mit Körperschall so hergerichtet sind,
dass die Körperschallbeaufschlagung automatisch auf mindestens
ein vor Beendigung des Schleifvorganges endendes Zeitintervall beschränkt
ist.
-
Aus
dem Stand der Technik bekannte Werkzeugmaschinen, die die Möglichkeit
der Ultraschallbeaufschlagung eines Schleifwerkzeuges vorsehen, können
in einer computergeführten Steuerung derart erfindungsgemäß angepasst
werden, dass der Schleifvorgang stets duktil endet.
-
Vorteilhafte
Ausbildungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind in den Ansprüchen 8 und 9 aufgeführt.
-
Eine
vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird im Folgenden dargelegt.
-
Die
einzige Figur zeigt in einem Diagramm die Prozesskraft aufgetragen über
das Zerspanungsvolumen bei einem Schleifprozess. Zu Beginn wird das
bekannte duktile Schleifverfahren, z. B. für eine Glasoptik,
genutzt. Dabei kann ein flächiges, z. B. topfförmiges
Schleifwerkzeug derart eingesetzt werden, dass in jedem Moment die
gesamte zu behandelnde Werkstückoberfläche bearbeitet
wird. Aus dem Diagramm in 1 ist die
mit zunehmendem Zerspanungsvolumen wachsende Prozesskraft ersichtlich.
Dies kann mit dem kontinuierlich Abstumpfen der Diamantkörner
des eingesetzten Schleifwerkzeuges und dem allmählichen
Zusetzen der Spanräume mit abgetragenen Werkstückpartikeln
erklärt werden.
-
Die
Quadrate 1 im Diagramm der 1 zeigen
Messpunkte für die Prozesskraft in Abhängigkeit des
Zerspanungsvolumens. 100% Prozesskraft steht dabei für
die maximal ertragbare Prozesskraft des Gesamtsystems aus Werkstück,
Werkzeug und Maschine, wobei oberhalb dieses Maximalwertes die Beschädigung
eines der drei Partner, in der Regel des Werkstücks oder
des Schleifwerkzeuges, erwartet wird. Oberhalb des Wertes von 80%
der maximalen Prozesskraft ist ein Bereich 2 grau eingefärbt,
um zu verdeutlichen, dass in diesem Bereich der Prozess instabil
wird. Aufgrund zu hoher Kräfte kann es auch dort bereits
zu Schäden an Werkzeug, Werkstück oder der Gesamtmaschine
kommen. Des Weiteren kann aufgrund von zu hohen Temperaturen Schleifbrand
auftreten, der zur Beschädigung des Werkstückes
und des Werkzeuges führt.
-
Im
vorliegenden Beispiel hat die Prozesskraft noch nicht den kritischen
Bereich 2 erreicht, wenn ein erstes kritisches Zerspanungsvolumen
VW1 vorliegt. Um ein weiteres Ansteigen
der Prozesskraft zu verhindern, wird zu diesem Zeitpunkt das Schleifwerkzeug
mit Ultraschall beaufschlagt, während der Schleifprozess
weitergeführt wird. Die Amplitude des Ultraschalls betrug
in den durchgeführten Versuchen zwischen 3 μm
und 20 μm bei einer Ultraschallfrequenz von ungefähr
20 kHz. Die Dauer des intermittierenden Körperschalleinsatzes
liegt in der Regel zwischen 5 Sek. und 30 Sek.
-
Während
des Ultraschalleinsatzes kommt es beim Schleifvorgang zu einer Mikrosplitterung
der Diamantkörner anstelle der ungewollten Abrasion. Hierdurch
wird das Werkzeug wieder schärfer und schneidfreudiger.
Gleichzeitig wird der Schleifbelag aufgrund des Ultraschalleinsatzes
gereinigt, indem die Spanräume des Schleifwerkzeugs von
abgetragenen Werkstückpartikeln befreit werden. Die Reinigung
und Schärfung des Schleifwerkzeuges bewirkt, dass die Prozesskraft
in etwa wieder auf den ursprünglichen Wert zurückfällt.
-
Während
des Ultraschalleinsatzes ist allerdings kein duktiles Schleifen
mehr gegeben, d. h. die geschliffene Oberfläche weist unmittelbar
nach dem Ultraschalleinsatz nicht die gewünschte hohe Qualität
auf.
-
Bei
geeignet niedriger Prozesskraft wird die Ultraschallbeaufschlagung
beendet und der Schleifvorgang wird duktil fortgeführt.
Hierdurch kommt es wiederum zu einem Anstieg der Prozesskraft, bis
das Schleifwerkzeug erneut mit Ultraschall beaufschlagt wird. Mit
jeder Periode des duktilen Schleifens wird eine höhere
Oberflächenqualität erreicht.
-
Der
letzte Verfahrensschritt bei der Schleifbearbeitung muss stets eine
Periode duktilen Schleifens sein, da ansonsten die gewünschte
Oberflächenqualität nicht erreicht werden kann.
-
Mit
der intermittierenden Beaufschlagung des Schleifwerkzeuges mit Ultraschall
braucht ein wesentlich zeit- und kostenaufwändigeres Polieren nicht
durchgeführt zu werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10060696
A1 [0004]
- - EP 1173306 B1 [0007]
- - DE 3244171 A1 [0022]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - V. R. Sinhoff,
Feinbearbeitung optischer Gläser in der Kleinserie, Dissertation
RWTH Aachen, 1996 ISBN 3-8265-2330-X; E. N. Koch, Technologie zum
Schleifen asphärischer optischer Linsen, Dissertation RWTH
Aachen, 1992 [0008]